I buchi neri sono “una porta a senso unico fuori dal nostro universo“, ha detto l’astronomo e direttore dell’Event Horizon Telescope Sheperd S. Doeleman dell’Harvard Smithsonian Center for Astrophysics. Ellie Mae O’Hagan sul The Guardian li descrive come “il punto in cui ogni legge fisica dell’universo conosciuto crolla. Forse è la cosa più vicina che c’è all’inferno: è un abisso, un momento di oblio“.
“È stato ipotizzato che potrebbero esserci buchi neri che si sono formati nell’universo primordiale prima che esistessero le stelle.” Ha detto Savvas Koushiappas, professore associato di fisica alla Brown University e coautore di uno studio con Avi Loeb della Harvard University.
“L’idea è molto semplice“, ha detto Koushiappas. “Con i futuri esperimenti sulle onde gravitazionali, potremo guardare indietro fino a un tempo precedente la formazione delle prime stelle. Quindi se dovessimo vedere eventi di fusione di buchi neri prima che esistessero le stelle, allora sapremmo che quei buchi neri non sono di origine stellare.”
Lo studio pubblicato su Physical Review Letters ha delineato come gli scienziati potrebbero usare l’osservazione delle onde gravitazionali con LIGO per verificare l’esistenza di buchi neri primordiali, pozzi gravitazionali formatisi pochi istanti dopo il Big Bang che alcuni scienziati hanno ipotizzato potrebbero essere una spiegazione per la materia oscura.
L’idea è che poco dopo il Big Bang, le fluttuazioni della meccanica quantistica portarono alla distribuzione della densità della materia che osserviamo oggi nell’universo in espansione. È stato suggerito che alcune di quelle fluttuazioni di densità potrebbero essere state abbastanza grandi da generare buchi neri disseminati in tutto l’universo. Questi cosiddetti buchi neri primordiali furono già proposti all’inizio degli anni ’70 da Stephen Hawking e collaboratori, ma non sono mai stati rilevati e non è ancora chiaro se esistono.
La capacità di rilevare le onde gravitazionali, come dimostrato recentemente dall’Osservatorio Gravitazionale-Onda Laser Interferometro (LIGO), potrebbe potenzialmente gettare nuova luce sulla questione. Le osservazioni di LIGO rilevano le increspature nel tessuto dello spaziotempo associato a giganteschi eventi astronomici come la collisione di due buchi neri. LIGO ha già rilevato diverse fusioni di buchi neri e gli esperimenti futuri saranno in grado di rilevare eventi che sono accaduti molto più indietro nel tempo.
I cosmologi misurano quanto indietro nel tempo si è verificato un evento usando il redshift: lo spostamento verso il rosso della lunghezza d’onda della luce associata all’espansione dell’universo. Gli eventi più indietro nel tempo sono associati a redshift più grandi. Per questo studio, Koushiappas e Loeb hanno calcolato il redshift con il quale le fusioni dei buchi neri non dovrebbero più essere rilevate assumendo solo origine stellare.
Ad nn valore di redshift di 40, che equivale a circa 65 milioni di anni dopo il Big Bang, gli eventi di fusione dovrebbero essere rilevati a un ritmo non superiore a uno all’anno, assumendo siano di origine stellare. A redshift maggiore di 40, gli eventi dovrebbero scomparire del tutto.
“Questo è davvero il punto di non ritorno“, ha detto Koushiappas. “In realtà, ci aspettiamo che gli eventi di fusione si fermino molto prima di quel punto, ma un redshift di 40 circa è il punto limite più assoluto o limite assoluto“.
Un redshift di 40 dovrebbe essere alla portata di diversi esperimenti proposti sulle onde gravitazionali. E se dovessero essere rilevati eventi di fusione oltre questo punto, potrebbero significare una delle due cose: o esistono buchi neri primordiali, o l’universo primitivo si è evoluto in un modo molto diverso dal modello cosmologico standard. Sarebbero scoperte molto importanti.
Ad esempio, i buchi neri primordiali rientrano in una categoria di entità conosciute come MACHO, o Halo Objects compatti. Alcuni scienziati hanno proposto che la materia oscura, la sostanza invisibile che si ritiene comprenda la maggior parte della massa dell’universo, possa essere composta da MACHO sotto forma di buchi neri primordiali. Scoprire l’esistenza di buchi neri primordiali rafforzerebbe quest’idea, mentre un non-rilevamento la squalificherebbe.
L’unica altra possibile spiegazione per le fusioni dei buchi neri con redshift superiori a 40 sarebbe che l’universo è “non-gaussiano“. Nel modello cosmologico standard, le fluttuazioni della materia nell’universo primordiale sono descritte da una distribuzione di probabilità gaussiana. Un rilevamento di fusione potrebbe significare che le fluttuazioni della materia si discostano da una distribuzione gaussiana.
“Una prova di non-gaussianità richiederebbe una nuova fisica per spiegare l’origine di queste fluttuazioni, il che sarebbe un grosso problema“, ha detto Loeb.
La velocità con cui i rilevamenti verranno effettuati dopo un redshift di 40, se effettivamente verranno effettuati tali rilevamenti, dovrebbe indicare se sono un segno di buchi neri primordiali o prove di non-gaussianità.
Una mancata osservazione rappresenterebbe una forte sfida per queste idee.
Fonte: Brown University
